Ultradźwięki to fale akustyczne i drgania, których przedział częstotliwości znajduje się powyżej górnego progu słyszalności dla ludzi, czyli o częstotliwości w zakresie od 16 kHz do 100 MHz. Fale o częstotliwości poniżej dolnego progu słyszalności człowieka (16 Hz) określane są jako infradźwięki. Obywa tak określone typy fal są niesłyszalne dla ludzkiego ucha.

Fale o częstotliwości większej niż 100 MHz, zwane są hiperdźwiękami. Hiperdźwiękowy zakres zjawisk sprężystych jest określony częstotliwością rzędu 1010 Hz aczkolwiek dla każdego materiału istnieje indywidualna granica.

Ultradźwięki charakteryzują się niewielkimi długościami fal, np. przy częstotliwości 3 MHz długość fali w tkance miękkiej wynosi około 0,5 mm, zaś dla częstotliwości 6 MHz fala ma długość 0,25 mm dla tego samego ośrodka. To właśnie niewielkie długości fal i drgań ultradźwiękowych zadecydowały o możliwości ich zastosowania w różnych dziedzinach. Wykorzystanie ultradźwięków da się dzielić zasadniczo na bierne oraz czynne, które uzupełniają sposoby bezpośredniego wzmacniania drgań ultradźwiękowych.

Wykorzystanie bierne ultradźwięków

  Wszystkie zmiany stanu albo cech ośrodka spowodują zmianę warunków rozchodzenia się w nim fal akustycznych (co głównie objawia się w zmianie szybkości fali o tłumienia), analiza zmiany parametrów pola akustycznego jest jedną z bardziej czułych sposobów analizowania cech oraz budowy przeróżnych ciał. Bardzo dobrze do tegoż celu wykorzystuje się ultradźwięki, ponieważ mniejsza długość fali zapewnia dużą zdolność rozdzielczą oraz precyzyjność pomiaru.

Jeżeli chodzi o precyzyjność pomiaru, ultradźwięki posiadają ogromną przewagę nad drganiami elektromagnetycznymi z powodu wielokrotnie mniejszej szybkości propagacji, co przekłada się na lepszą zdolność rozdzielczą metod ultradźwiękowych. Niewielka długość fali daje możliwość realizacji ultradźwiękowych układów ogniskujących (soczewki styczne) odważających niejednorodności pola akustycznego. Dzięki wizualizacji pól akustycznych wyniki dostępne są na w postaci obrazu.

Kolejnym skutkiem niewielkiej szybkości rozchodzenia się ultradźwięków jest ewentualność otrzymania ogromnych opóźnień sygnału przy małych rozmiarach maszyny, co jest stosowane w ultradźwiękowych liniach opóźniających, wykorzystywanych bardzo szeroko w elektronowych urządzeniach liczących, jak również w urządzeniach sterujących oraz w maszynach radio - i hydrolokacyjnych.

Wykorzystanie fali ultradźwiękowej uzależniona jest od tłumienia dźwięku w ośrodku, to zaś uzależnione jest m.in. od częstotliwości. Tłumienie termosprężyste to rozpraszanie energii fali ultradźwiękowej na rzecz ciepła, które powstało w miejscach zagęszczenia materiału (obszaru przejścia fali); tłumienie od relaksacji występuje, gdy częstotliwość drgań zbliża się wartością do częstotliwości własnej zmiany stanu energetycznego (częstotliwości relaksacji). Optymalną wartość częstotliwości dobiera się przy uwzględnieniu z jednej strony wielkości tłumienia, a z drugiej - wystarczającą zdolność rozdzielczą.

Ultradźwięki w analizach strukturalnych wykorzystuje się głównie do odkrywania niejednorodności makroskopowych, których wymiary są w porównaniu z długościami fali o wiele większe.  Tą samą własność  wykorzystuje się w hydrolokacji oraz defektoskopii, jak również w analizach budowy części organizmów żywych (gałki oczne, serca), w diagnostyce medycznej itd. Zalicza się również do tej grupy zagadnień wyznaczenie geometryczne wymiarów ciał, np. grubości blach czy poziomu ciał ciekłych w pojemnikach. Do pomiarów wykorzystuje się zarówno wiązkę impulsową jak i ciągłą falę ultradźwiękową.

Pomiar szybkości rozchodzenia się oraz tłumienia ultradźwięków jest bardzo czułym wskaźnikiem zmian warunków zewnętrznych (temp., ciśnienie) oraz spowodowanych przez nie zmian cech samego ośrodka na tej zasadzie oparte są sposoby definiowania liczby domieszek oraz stopnia skażenia, wykorzystywane w kontroli przemysłowej, jak również w kontroli takich procesów jak ługowanie, rozpuszczanie, polimeryzacja oraz depolimeryzacja, starzenie. Sposoby ultradźwiękowe wykorzystuje się także do analizowania cech monokryształów oraz ośrodków polikryształów.

Wykorzystanie czynne ultradźwięków.

Główną cechą czynnych wykorzystań ultradźwięków jest zastosowanie średnich oraz ogromnych natężeń, które powodują zmiany nieodwracalne w nadźwiękawianym ośrodku. Zmiany te są także powiązane z przeróżnymi efektami nieliniowymi, z których najważniejsze rolę odgrywają strumienie akustyczne oraz kawitacja.

W przypadku zastosowań medycznych ultradźwięki dają możliwość na wizualizację organów wewnętrznych, które jest niedostępne dla naszych oczu bez zabiegu otwarcia, jak również - co jest bardzo ważne bez żadnych szkodliwych skutków ubocznych. Te zalety ultradźwięków pozwoliły na obszerne wykorzystanie diagnostyczne w takich dziedzinach: jak położnictwo, kardiologia, okulistyka, neurologia, onkologia, chirurgia naczyniowa itp.

Ultradźwięki o ogromnym natężeniu (dziesiątki W/cm2) pozwalają na tworzenie zjawisk nieliniowych, które nie pojawiające się przy falach o niewielkiej amplitudzie. Drgania ultradźwiękowe stosunkowo łatwo wywołać wykorzystując do tego zjawiska piezoelektryczne lub magnetostrykcyjne, zaś odpowiednio dużą moc fali uzyskuje się przy wykorzystaniu zjawiska rezonansu - synchronizacja drgań własnych przetwornika i napięcia wymuszającego.

Jeżeli długości fal ultradźwiękowych (dla wysokich częstotliwości) rozchodzących się w ośrodku jest porównywalna z wielkością ziarna materiału następuje zjawisko rozproszenia fali, która odbija się od ziaren we wszystkich kierunkach. Analizując szybkość rozchodzenia się oraz tłumienia fal ultradźwiękowych da się definiować procesy molekularne w przeróżnych ośrodkach (analizowanie środków przy pomocy ultradźwięków). Oddziaływanie fal ultradźwiękowych o ogromnych częstotliwościach ze strukturą ośrodka doprowadza do pojawienia się zjawisk o kwantowym charakterze.

Do produkowania oraz odbierania ultradźwięków wykorzystuje się przetworniki ultradźwiękowe. Są one w stanie przetworzyć energię drgań, np. elektrycznych w energię drgań mechanicznych (przetworniki nadawcze - generatory ultradźwiękowe) albo odwrotnie - energię akustyczną w inny rodzaj energii (przetworniki odbiorcze). Zależnie od kierunku zmian energii wyróżniamy generatory albo odbiorniki ultradźwiękowe mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne, chemiczne oraz optyczne. Przetwornikami odwracalnymi nazywamy takie, które mogą pracować w obydwu kierunkach.

Poniżej przedstawiono dziedziny, w których wykorzystywane są ultradźwięki:

Telekomunikacja i hydrolokacja

Woda charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym co nie pozwala na komunikację, np. statków podwodnych będących w zanurzeniu. W tym celu wykorzystuje się łączność ultradźwiękową uzyskaną za pomocą nadajników. Pozwalają one na uzyskanie kierunkowej wiązki akustycznej, która swobodnie przekazywana jest przez wodę dociera do odpowiednio skonstruowanego odbiornika.

Hydrolokacja - technika określania położenia obiektów w wodzie. Kierunkowa wiązka ultradźwięków w postaci impulsów  odbija się od elementów otoczenia i powraca w kierunku sondy. Znając czas jesteśmy określić odległość obiektu od sondy. Taki rodzaj hydrolokacji zwany jest aktywnym. Hydrolokacja pasywna opiera się na analizowaniu dźwięków docierających od lokalizowanego obiektu.

Miernictwo

Technika miernictwa ultradźwiękowego obejmuje pomiary wielkości akustycznych, takich, jak ciśnienie akustyczne, natężenie dźwięku, jego moc i przyspieszenie, rozkład pola akustycznego, czy też stałych akustycznych danego obiektu/ośrodka.

Stosowane do pomiarów przetworniki piezomagnetycznepiezoelektryczne pozwalające dokonać pomiarów wykorzystują do tego celu proces odwrotny do wytwarzania ultradźwięków.

Przykładami zastosowania ultradźwięków w miernictwie jest betonoskop - przyrząd określający jakość betonu poprzez pomiar prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej.

Batymetria zbiorników wodnych to kolejny przykład - dokonuje się pomiaru głębokości , które potem oznaczane są jako izobaty na mapach batymetrycznych odwzorowujących kształt dna zbiornika.

Badanie materiałów

Badania materiałowe opierają się na odbiciu wiązki akustycznej od zniekształceń materiałowych takich , jak pęknięcia, pęcherzyki, rysy, wtrącenia. Odbicie następuje w wyniku zmiany współczynnika pochłaniania i oporności akustycznych, co jest powodem wystąpienie zjawiska ugięcia, odbicia czy załamania wiązki. W badaniach struktury wykorzystuje się tzw. defektoskopy ultradźwiękowe. Są wyposażone w oscylator katodowy wykonujący analizę impulsów pochodzących z nadajnika i odbiornika. Urządzenia te potrafią wykazać zmiany, które powstały na skutek naprężeń jak i działania temperatury. Coraz częściej stosowane są defektoskopy pod postacią karty komputerowej, która wraz z odpowiednim oprogramowaniem pozwala na archiwizowanie i przesyłanie danych.

Oprócz tej pracy urządzenia wykorzystujące do swojej pracy ultradźwięki mogą również określać różne wielkości fizyczne i chemiczne, co pozwala doskonale scharakteryzować badane próbki.

Metalurgia

Obróbka twardych materiałów to proces niezwykle trudny ze względu na duże koszty stosowania narzędzi. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych przy takich materiałach, jak twarda ceramika czy syntetyczne kamienie szlachetne pozwala dokonywać obróbki materiału metodą elektroerozyjno-ultradźwiękową - pozwala to uzyskać dowolne kształty  w takich materiałach jak porcelana, szkło, węgliki spiekane i usuwać produkty erozji z obszaru obróbki. Stosowanie takich mieszanych metod pozwala na uzyskiwanie małych otworów o dużej dokładności w materiałach trudno obrabialnych, co jest wykorzystywane w m.in. przemyśle lotniczym czy elektronicznym.

Zgrzewanie ultradźwiękowe pozwala na łączenie ze sobą dwóch elementów, nierzadko wykonanych z różnego rodzaju materiałów. Zgrzewarki działają na zasadzie dostarczenia energii drgań ultradźwiękowych na styk łączonych elementów, co powoduje wystąpienie zarówno miejscowego podgrzania, ruchu cząstek jak i zwiększenia ciśnienia. Również lutowanie ultradźwiękowe ma swoją zaletę w postaci efektu kawitacji, która usuwa warstwę tlenków powstających na łączonych powierzchniach. W przemyśle stosowana jest również kontrola jakości połączeń spawanych przy wykorzystaniu ultradźwięków.

Ultradźwięki stosuje się przy odgazowaniu tworzącego się stopu, rozdrabnianiu cząstek oraz wykonywaniu stopu związków, które w normalnych warunkach nie mieszają się ze sobą. Utrwalają proces magnesowania ferromagnetyków i zmniejszają pozostałość magnetyczną.  Przy hartowaniu stali znacznie przyspieszają procesu azotowania.

Oczyszczanie ultradźwiękowe to kolejne z zastosowań. Odbywa się przez zanurzenie na określony czas w odpowiednio dobranych cieczach i poddaniu działaniu ultradźwięków. Drgania przekazywane do cieczy przez przetworniki wywołują kawitację co powoduje fale ciśnienia docierające do najbardziej niedostępnych miejsc usuwając zanieczyszczenia - takie, jak olej, tłuszcz, lakier czy też cząstki stałe - z całej powierzchni elementu. Ciecze stosowane w płuczkach ultradźwiękowych to np. benzyna, alkohol.

Przemysł spożywczy

Procesy przetwórcze w przemyśle spożywczym dążą do skracania i uproszczenia procedur produkcyjnych - ultradźwięki pomagają m.in. przy ekstrakcji chmielu czy kawy, pozwala na sztuczne starzenie win i likierów. Przyspieszenie procesów utleniania i depolimeryzacji pozwala na  przyspieszenie czasu pracy nad masą kakaową czy czekoladową przy zachowaniu aromatu. Stosowanie ultradźwięków przy sterylizacji mleka pozwala jednocześnie dokonywać homogenizacji - tworzenie mieszaniny z nie mieszających się składników. Wykorzystuje się to przy produkcji margaryny i homogenizowaniu olejów przy zastosowaniu niskiego ciśnienia.

Przemysł chemiczny

Ultradźwięki pozwalają przyspieszać wiele rodzajów reakcji chemicznych (głównie chodzi o utlenianie, redukcja, polimeryzacja i depolimeryzacja), co jest związane ze zwiększeniem energii ruchu cząsteczek, zmianą sił w wiązaniach międzycząsteczkowych.

Diagnostyka medyczna

Urządzenia medyczne do diagnostyki działają w oparciu o różnice w wartościach stałych akustycznych takich, jak współczynnik pochłaniania i prędkość fali, gdy mamy do czynienia z tkanką zdrową i tkanką chorą. Natężenie wiązki ultradźwięków jest niższa od natężenia biologicznie czynnego, by nie zakłócić naturalnej pracy organizmu. Zastosowanie odpowiednio zbudowanych przetworników obrazu optyczno-akustycznego w powiązaniu z odpowiednio przetworzonymi danymi przez komputer pozwala zajrzeć w głąb organizmu.

Do analizy stanu organów wewnętrznych wykorzystuje się ultrasonografię - metodę otrzymywania dwuwymiarowego obrazu badanego organizmu. W zależności od częstotliwości fali ultradźwiękowej możliwe jest uzyskanie obrazu organów położonych w różnych obszarach. Wykonywane są w ten sposób badania m.in. jamy brzusznej, serca, naczyń krwionośnych.

Biologia i farmacja

Wpływ ultradźwięków na organizmy żywe jest różny w zależności od ich natężenia - wiązka o małym na tężeniu pobudza rozmnażanie komórek i wzrost, przy dużym natężeniu fali ultradźwiękowej organizmu obumierają (wpływ na to ma zarówno kawitacja ja i depolimeryzacja łańcuchów białkowych). Odpowiednio określone natężenie wiązki pozwoli zniszczyć drobnoustroje chorobotwórcze (pałeczki duru brzusznego, streptokoki, itd., zaś z drugiej strony pozwoli na przyspieszenie procesu wzrostu roślin. Wiązka ultradźwiękowa o odpowiedniej długości fali i częstotliwości potrafi również likwidować nasiona grzybków pleśni i drożdży.

Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje bakteriobójcze własności ultradźwięków przy sterylizacji środków farmaceutycznych. Własności ultradźwięków pozwalają na tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów (np. penicylina).

Medycyna

Oprócz diagnostyki ultradźwięki znalazły zastosowanie również w terapii, gdzie wykorzystano działanie przeciwzapalne, znieczulające, rozkurczowe czy pobudzające krążenie. Wiązka ultradźwiękowa zmniejsza napięcie mechaniczne tkanek przy jednoczesnym ogrzewaniu miejsca masażu.

Ultradźwięki pozwalają na leczenie bólu mięsni, stłuczeń, zapaleń stawów, odmrożeń. Przy stosowaniu tych form terapii niezwykle ważne jest dokładne określenie parametrów wiązki, co nie jest łatwe i w związku z tym jego stosowanie jest ograniczone.

Ultradźwięki wykorzystywane są w rozbijaniu kamieni przy leczeniu kamicy nerkowej czy przewodu pokarmowego i w nebulizacji - oddechowej metodzie terapeutycznej.

Inne

Ultradźwięki stosowane są przy zapobieganiu powstawania kamienia  w kotle energetycznym. Fala ultradźwiękowa kierowana jest w kierunku wody - warstwy kamienia zostają rozbite, wapno strąca się i zostaje wypłukane. Okresowe stosowanie impulsów fal ultradźwiękowych skutecznie chronią kocioł przed osiadaniem kamienia.

W przemyśle tekstylnym i papierniczym odpowiednio skonstruowane przetworniki ultradźwiękowe stosuje się do suszenia taśmy papierowej i farby drukarskiej. Ultradźwięki stosuje się również w produkcji farb i lakierów, farbowaniu we włókiennictwie oraz praniu mocno ubrudzonych tkanin wysokogatunkowych.

Osady uzyskiwane w procesie biologicznego oczyszczania ścieków w procesie dezintegracji uwalniają biogaz. Produkcja metanu jest przyspieszana właśnie przy wykorzystaniu ultradźwięków do rozdrabniania osadu ultradźwięków, które przy stosunkowo niskiej częstotliwości ale o dużej mocy potrafią efektywnie przyspieszyć proces dezintegracji.

Ultradźwięki mogą być stosowane jako dopełnienie w dezynfekcji wody przy metodach chemicznych; mogą również być stosowane przy odpyleniu cząsteczek ciał stałych lub cieczy z gazów emitowanych przez zakłady przemysłowe i maszyny spalinowe.